Essai sur cellules photovoltaïques

En très grand nombre, dotés d'une longue durée de vie et une réglementation des essais rare ou inexistante - Telle est la situation de l'industrie photovoltaïque. Les essais sont essentiels pour les constructeurs souhaitant jouer un rôle dans ce marché: garantir les performances et la durée de vie en restant compétitif est un enjeu majeur. Seule, une meilleure qualité, une production rentabilisée et une sécurité accrue permettront de surmonter la baisse des prix enregistrée ces dernières années.

Enjeux

Une cellule photovoltaïque est exposée quotidiennement à des conditions environnementales extrêmes. Ni les épisodes de pluie, grêle, tempête ou variations importantes de température ne doivent affecter le fonctionnement des cellules photovoltaïques. Les cellules photovoltaïques doivent résister sans dommage à une charge de neige, la glace et même aux travaux de montage pendant une durée de vie qui peut atteindre jusqu'à 40 ans. Les cellules photovoltaïques devront donc remplir des exigences élevées en matière de propriétés électriques et mécaniques. Aucune norme d'essai n’est cependant disponible en matière d’exigences mécaniques des composants. En dehors des directives contractuelles individuelles internes passées entre fournisseurs et fabricants, aucune définition normalisée de la qualité n’est disponible pour les panneaux solaires. Cette absence de norme associée aux exigences des clients requiert des équipements et demandes d’essais sur mesure. C’est là qu’interviennent nos experts de l’essai de matériau.

Méthodes d’essais / normes générales

DIN ISO 614

Navires et technologie; Verres de sécurité trempés pour hublots et fenêtre rectangulaires de navires; Méthode du poinçon pour les essais non-destructifs de résistance (ISO 614:1989-09)

DIN EN 1288-5

Verre dans l’industrie des matériaux de construction - Détermination de la résistance à la flexion sur verre - Partie 5: Doubles anneaux - Essai de flexion sur éprouvettes planes avec de petites surfaces de sollicitation (ISO/DIS 1288-5:2007); Version allemande prEN ISO 1288-5

DIN EN 1465

Adhésifs - Détermination de la résistance au cisaillement d'assemblages collés rigide sur rigide à recouvrement simple (ISO 4587:1979, modifiée); Version allemande prEN 1465:2008

DIN EN 1464

Adhésifs - Détermination de la résistance au pelage des assemblages à forte cohésion - Méthode des galets mobiles (ISO 4578:1990, modifiée); Version allemande EN 1464:1994 (DIN EN 1464:1995-01) Remplacement de: DIN 53289:1979-09

DIN EN 1288-3

Verre dans l’industrie des matériaux de construction - Détermination de la résistance à la flexion sur verre - Partie 3: Essai avec éprouvettes supportées en deux points (flexion 4 points), (ISO/DIS 1288-3:2007); Version allemande prEN ISO 1288-3:2007

zwickiLine avec dispositif de flexion pour essai sur tranche

CEI 61215 et/ou EN 61215

Les normes CEI 61215 et EN 61215 décrivent une grande variété de tests de qualification, permettant de solliciter artificiellement les matériaux constitutifs des panneaux PV. Les groupes de sollicitation suivants sont différenciés:

Lumière du soleil incl. les UV
Climat (froid, chaleur, humidité, changement climatique)
Contraintes mécaniques (grêle, succion du vent, pression du vent, neige)

Les tests sont considérés comme réussis, lorsqu’aucun dommage visuel significatif n’est perceptible après réalisation des tests de qualification et que les propriétés d'isolation n'ont pas été modifiées ou modifiées de manière insignifiante par rapport à l'état initial. Tandis que le certificat d'essai CEI 61215 s’imposait ces dernières années comme label de qualité pour les modules PV cristallins, la plupart des organismes d’accréditation nationaux et internationaux exigeaient, dans l'intervalle, un certificat similaire pour accorder les financement demandées.

CEI/EN 61215 et CEI/EN 61646

CEI et/ou EN 61215 pour panneaux à couche épaisse CEI et/ou EN 61646 pour panneaux à couches minces (modules photovoltaïques au silicium cristallin pour applications terrestres - Qualification de la conception et homologation)

Les différents tests de qualification nécessaires à la certification CEI 61215 pour modules solaires sont très stricts, car les panneaux testés doivent résister jusqu'à 25 ans à l'extérieur sous presque toutes les latitudes géographiques et dans la plupart des conditions environnementales partout dans le monde. Sauf erreur en cours du processus, les tests CEI durent plus de 5 mois au total. Pour remplir les aspects les plus stricts de la norme, un lot de panneaux devra ainsi satisfaire à un protocole d'essai environnemental utilisant le rayonnement UV, les températures extrêmes, y compris l'exposition prolongée à des températures élevées et à l'humidité, les contraintes mécaniques et la torsion, de même que la résistance à la grêle et aux impacts de pierres. Parallèlement aux tests environnementaux, les modules sont examinés dans leur ensemble pour leurs performances électriques, leur isolation et points "critiques" éventuels.

DIN EN 1288-2, octobre 2007

Verre dans l’industrie des matériaux de construction - Détermination de la résistance à la flexion sur verre - Partie 2: Doubles anneaux - Essai de flexion sur éprouvettes planes avec de grandes surfaces de sollicitation (ISO/DIS 1288-2:2007); Version allemande prEN ISO 1288-2:2007

Méthode du poinçon pour les verres de sécurité selon DIN ISO 614 forme A et B

CEI 61646 et/ou EN 61646

Les normes CEI 61646 et EN 61646 décrivent une grande variété de tests de qualification, permettant de solliciter artificiellement les matériaux constitutifs des panneaux à couches minces. Les groupes de sollicitation suivants sont différenciés:

Lumière du soleil incluant les UV
Climat (froid, chaleur, humidité, changement climatique)
Contraintes mécaniques (grêle, succion du vent, pression du vent, neige)

Les tests sont considérés comme réussis, lorsqu’aucun dommage visuel significatif n’est perceptible après réalisation des tests de qualification et que les propriétés d'isolation n'ont pas été modifiées ou modifiées de manière insignifiante par rapport à l'état initial. Tandis que le certificat d'essai CEI 61646 s’imposait ces dernières années comme label de qualité pour les modules PV cristallins, la plupart des organismes d’accréditation nationaux et internationaux exigeaient, dans l'intervalle, un certificat similaire pour accorder les financement demandées.

Exemples de solutions d’essais

Afin de vous faire une idée des essais destructifs dans le domaine de la fabrication des modules solaires, nous présentons ici plusieurs applications d’essais associées aux différentes étapes de fabrication des cellules à couche épaisse.

Les modules solaires ou photovoltaïques sont des composants électriques qui convertissent l'énergie de rayonnement contenue dans la lumière en énergie électrique.
Les principaux modèles:

Les modules solaires à couche épaisse sont constitués de silicium monocristallin ou polycristallin. Particulièrement répandus en Europe centrale, ces modules offrent une haute efficacité (plus de 20%). Ils se caractérisent, de plus, par un bon rendement au mètre carré. Pour une production de 1 Kwp, une surface de toit d'env. 8 m² sera par exemple requise. Mais, une Assurance Qualité cohérente demeure toutefois indispensable, car la fabrication des panneaux photovoltaïques nécessite de l'énergie dont l'origine est actuellement essentiellement non renouvelable.
Les panneaux photovoltaïques à couche mince sont disponibles en différentes variantes, selon le substrat et les matériaux déposés en couches : silicium amorphe ou microcristallin (a-Si, μ-Si), arséniure de gallium (GaAs), tellurure de cadmium (CdTe) ou composés cuivre indium (gallium) sélénium soufre (CIGS). Les cellules à couche mince se distinguent principalement des cellules solaires basées sur des plaquettes de silicium cristallin par leurs procédés de fabrication et épaisseurs de couches des matériaux utilisés.
Modules solaires organiques (en plastique avec propriétés semi-conductrices)

En raison des différentes technologies et donc de la structure en partie différente des types de modules solaires, les demandes d’essais varient avec la technologie des modules solaires.

Essai de pelage sur couche de Teldar

Des couches de plastique en EVA (éthylène-acétate de vinyle) ou en résine coulée sont stratifiées sur les deux faces et forment une protection anti-corrosion imperméable. Un film Tedlar® ou une plaque de verre sur la face arrière assure une protection supplémentaire du module. L’essai de pelage à 90° est utilisé pour vérifier la résistance de ces connexions. Le film Tedlar® est contraint pour ce faire dans des mâchoires à vis, puis serré par la plaque de verre. Une machine d’essais mono-colonne, permettant de réaliser des essais sur différentes tailles, convient idéalement à cet essai. Cet essai, effectué d’une part pour vérifier le réglage des paramètres machine, est également utilisé lors du contrôle de réception ainsi que dans le cadre d’un test de re-qualification après expiration de la durée de conservation minimale. Pour remplir les exigences de la norme, la couche de Tedlar® doit résister à des forces de retrait allant jusqu’à 250 N.

Essais d’arrachement entre cellule de raccordement et câble de raccordement

Divers tests de sécurité, tels que les essais de résistance de la structure du châssis, la détermination des forces d’insertion et de retrait des connecteurs d’angle, des essais de retrait des connexions électriques, de même que des essais de traction, compression et flexion sur systèmes de montage pour la fixation du module sont recommandés pour le module fini. Les essais d’arrachement des câbles sur boîtier de connexion peuvent être réalisés à l’aide d’une machine d’essai bi-colonne de la série AllroundLine. Le boîtier de connexion est maintenu par des mâchoires spéciales. Le câble de connexion est maintenu par des mâchoires à vis et utilisé avec des forces sorties de la boîte allant jusqu’à 5 kN.

Méthode du poinçon pour les verres de sécurité selon DIN ISO 614 forme A et B

Lors de l'essai de poinçonnement, une plaque de verre de 25 x 25 mm est placée sur un dispositif de flexion-double anneau (composé d'une bague d'appui et d'une bague de charge ainsi que d'axes de butée servant à fixer l’éprouvette). Pour terminer, un poinçon d’essai charge l’éprouvette jusqu’à la rupture. Le conteneur métallique empêche la pénétration de éclats de verre dans l'entraînement de la machine. Cet essai est en principe réalisé sur une machine d’essais bi-colonne avec Fmax 50 kN.

ProLine avec essai de flexion 4 points sur verre de construction selon EN 1288-3

Pour le test de sécurité sur la plaque de verre utilisée, un Essai de poinçonnement statique selon EN 1288-5 et un Essai de flexion 4 points selon EN 1288-3 peuvent être effectués.
Une machine d’essai AllroundLine de ZwickRoell est utilisée pour les deux essais. Dans les deux essais, des dispositifs de sécurité doivent être intégrés pour éviter les dommages causés par des éclats de verre non-contrôlés.
Ce système d'essais a été spécialement conçu pour déterminer la résistance à la flexion du verre plat dans l'industrie du bâtiment conformément à la norme EN 1288-3 et répond à toutes les exigences de la norme. Tous les rouleaux d’appui et de flexion peuvent tourner librement et ont les dimensions et écartements requis.

Dispositif de flexion 4 points pour l'essai sur tranche

Dispositif de flexion 4 points pour l'essai sur tranche pour l’essai sur tranches / puces ou composants similaires entrant dans la fabrication du Wafer.
Elle comporte 2 barreaux de flexion avec 2 poinçons de compression ajustables chacun, et est utilisable avec un capteur de force Fmax 10 N.